草地放牧強度遙感解譯方法
——以和靜縣高寒草原為例

邵明軒 王 潔 賈宏濤 劉耘華 程軍回 盛建東*

(1.新疆農業大學 草業與環境科學學院/新疆土壤與植物生態過程重點實驗室,烏魯木齊 830052；2.俄克拉荷馬大學 微生物和植物生物學系，美國 諾曼 OK 73019)

放牧是人類活動對草地最主要的干擾類型[1-2]。一方面，放牧會直接導致草地地上生物量變化，間接影響草地生物多樣性的穩定、土壤微生物、及土壤營養物質周轉等方面[3-6]；過度放牧會導致適口性牧草逐漸減少，毒草及不適口牧草增多，植被群落密度減少等不利影響[7-8]。另一方面，禁牧易造成資源浪費，不利于畜牧業和當地經濟的發展[9]。故保持合理的放牧強度對草地資源的保護和經濟可持續發展尤為重要[10]。如何快速、準確的確定放牧強度，對天然草地的草畜平衡和科學管理有重要意義[11]。

目前，對于放牧適宜強度的確定方法，主要是通過實地調查統計牲畜存欄數和草場面積，估算區域內實際載畜量與草地理論載畜量的差異來劃分放牧強度[12]。這種方法耗時耗力且精度有限，未考慮區域內不同草地類型的差異性，不適用于大范圍草地放牧強度的估算。隨著空間信息技術的發展，為草地載畜量、放牧強度以及草場科學管理等提供了科學手段[13-16]。例如可利用牲畜攜帶GPS在放牧過程中記錄放牧軌跡，通過聚類分析方法估算牲畜分布的面積來判斷草地的放牧強度[17-18]。近年來研究利用無人機觀測牲畜分布及地上生物量變化對中小尺度的草場進行放牧強度估算[19-20]。隨著大尺度、多時相、高光譜等衛星遙感技術的快速發展，對于大規模的山地天然草地而言，衛星遙感有著得天獨厚的優勢。其中，已有研究利用Landsat遙感影像建立了地上生物量及地表植被冠幅變化的反演模型，結合實際調查的放牧強度，估算出巴西隆多尼亞地區傳統放牛場不同植被類型(林地、草地)的放牧強度[21]。使用MODIS遙感影像分析對比放牧前后NDVI變化，估算內蒙古草地的相對放牧強度等級[22-24]。利用衛星遙感對草地放牧強度進行初步探索，但在實際調查中，不同草地類型地上生物量和載畜量存在較大差異，不同草地類型同時劃分放牧強度將存在較大誤差[25]。因此，如何快速、有效地確定大范圍草地放牧時間及強度，還需要進一步探索。

新疆和靜縣飼養牲畜主要以巴音布魯克黑頭羊和牦牛為主。全縣現有草場面積約24 600 km2，可利用草場面積約20 513 km2，19世紀80年代核定載畜量為130.5萬只綿羊單位，現在實際載畜量為229.0萬只綿羊單位[26]。為滿足我國人口增加和經濟發展的需求，需要增加飼養牲畜數量，也是草原地區牧民提高收入的重要途徑。為協調草畜矛盾，如何快速的確定大范圍草地放牧強度，是當前亟待解決的問題，但是當前衛星遙感解譯大范圍天然草地放牧強度的研究較少，因此，本研究擬以新疆和靜縣分布的典型高寒草原為研究對象，利用實地樣地調查的地上生物量與遙感影像所提取的NDVI建立生物量反演模型；通過分析NDVI在植被生長季期間變化特征，開展高寒草原草地放牧時間和放牧強度的遙感解譯分析研究，以期為利用多時相遙感影像快速確定草地放牧強度和放牧管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于天山中段南麓和靜縣高寒草原草地(82°28″～87°52″ E，42°36″～43°19″ N，圖1)。地勢西北高、東南低，研究區范圍內海拔2 000～2 800 m，屬山區高寒氣候，冬春嚴寒漫長，夏秋短暫溫和，年均溫-4.8 ℃，年均降水量276.2 mm[27]。該區域主要以紫花針茅(Stipapurpurea)、羊茅(FestucaovinaL.)為主的高寒草原類草地，土壤類型為冷鈣土[27]。

圖1 和靜縣高寒草地樣點分布圖Fig.1 Distribution of alpine grassland sample points in Hejing County

1.2 地上生物量調查

為建立和驗證遙感反演的草地放牧強度，本研究借助2013年7月中旬—8月中旬對放牧的高寒草原19個典型樣地的實測數據，進行反演精度的驗證。在野外調查過程中，首先遵循試驗樣地布設的典型性原則，在認真分析已有的草地類型圖和遙感圖像基礎上，布點時盡量考慮到草地型、坡度等因素的異質性。選擇能夠代表高寒草原類型、地形及土壤等特征的樣地，按一定方向設置1條100 m樣線，可以較好地匹配MDOIS-MOD13Q1植被指數數據集，在樣線上設10個1 m×1 m草本樣方。草本樣方地面以上所有綠色部分齊地面刈割，去除粘附的土壤、礫石等雜物后全部帶回實驗室，105 ℃殺青后，65 ℃烘干至恒重后稱量，獲取各樣點地上生物量數據，取其均值代表該樣地的地上生物量。

1.3 遙感數據獲取與處理

通過美國航空航天局地球觀測系統數據中心獲取的16 d合成為空間分辨率250 m的MOD13Q1植被指數數據集，經過大氣校正、云檢驗、質量控制和旬NDVI最大化處理后。利用圖像處理軟件MRT軟件進行鑲嵌、拼接、投影轉換、格式轉換及研究區提取等預處理，進行地上生物量反演模型建立。同時利用ArcGIS 10.2及R軟件提取了19個樣地的2008—2017年每年每個周期NDVI值，用于判斷放牧時間及放牧強度，制作放牧強度分布圖。

1.4 放牧時間確定

放牧開始與結束的時間是利用NDVI確定放牧強度的關鍵。由于高寒草原草地因海拔高、溫度低、積雪時間長，生長季短暫，一般作為夏季牧場進行利用。本研究19個高寒草原樣地分布分別為：巴音郭楞鄉(8個)、巴音布魯克鎮(2個)、公乃斯鎮(3個)、哈爾諾爾國營牧場(1個)、額勒在特烏魯鄉(5個)，分別進行調查統計和靜縣各鄉鎮統計年鑒及和靜縣畜牧局提供的放牧時間，結合實地走訪，確定了和靜縣各鄉鎮夏季放牧時間(表1)為6月10日—9月10日。實測放牧強度的結果依據當地畜牧專家常年監測調查的結果，同時結合本單位草學專家對于草地生長狀況判別確定實測的放牧強度。

1.5 數據處理與分析

歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index，NDVI)，紅波段(R)和近紅外波段(NIR)反射率之差與之和的比值，用以表征地表植被的數量分配和質量情況。即：

利用ArcMap 10.2軟件提取各樣方的位置點對應的NDVI值，利用Sigmaplot 14.0進行NDVI與實測生物量模型建立。利用Graphpad Prism 8進行2008—2017年每旬NDVI均值進行突變分析用于判斷放牧起止時間。同時將生長季期間(4—8月)NDVI進行累積得到，即：ΣNDVI，用于整個研究區放牧強度劃分。

1.6 研究思路

放牧的直接結果是牲畜對于地上生物量的啃食作用，不同放牧強度的地上生物量變化特征不同，而這種變化特征可以利用多時相衛星遙感圖像反演獲取，根據地上生物量的變化可以確定不同的放牧強度。因此，首先利用19個典型樣地的實測地上生物量與對應日期NDVI建立反演模型，然后利用該模型分析近10年NDVI均值的變化過程，確定放牧起止時間。考慮到天然草地面積廣闊，牧民轉場的時間及次數各有不同，加之不同區域、不同月份水熱條件存在較大差異，實時調查、采樣比較困難，即使在采樣地點選擇相對均一條件下，單一的利用某個旬度之間NDVI變化劃分放牧強度存在較大誤差。為此，通過分析19個典型樣地生長季期間NDVI值的變化過程，將其歸類為4個放牧強度。發現不同放牧強度地上生物量及生長季期間累積NDVI(ΣNDVI)值存在差異，據此作為劃分不同強度的界定方法。此方法在一定程度上避免了各地牧民轉場時間上的差異，提高了預測大范圍大區域放牧強度的精度。

2 結果與分析

2.1 高寒草原地上生物量遙感反演模型建立

草地地上生物量與NDVI之間存在顯著的正相關關系[28]。為保持與地面實測數據的時空一致性，選擇利用2013年MDOIS遙感植被指數來反演草地地上生物量，建立了該區域的草地地上生物量估算模型。對研究區高寒草原樣地的遙感植被指數(NDVI)與高寒草原草地地上生物量分析結果發現二者呈極顯著的正相關關系(R2=0.732 9，P<0.000 1)。以提取樣地的NDVI為自變量，實地調查獲取的草地地上生物量y為因變量，分別建立了一元線性回歸模型、二次多項式、對數、指數和冪指數非線性等回歸模型(圖2)。經過統計檢驗，其中二次多項式模型是估算和靜地區高寒草原地上生物量最佳模型：

y=523.21 NDVI2-82.8 NDVI+55.84

式中：y為地上生物量，g/m2；NDVI為歸一化植被指數。

圖2 高寒草原地上生物量遙感植被指數反演模型Fig.2 Inversion model of aboveground biomass remote sensing vegetation index in alpine grassland

2.2 高寒草原放牧時間確定

在確定高寒草原草地遙感反演模型后，可合理有據的分析每16 d的NDVI的變化，從而進行放牧時間的判斷。由于高寒草原生長季短暫，多為夏季牧場。夏季牧場放牧開始時，處于生長季初期，與地上生物量相關的NDVI呈上升趨勢，而地上生物量的減少主要是由放牧引起的。以巴音布魯克鎮為例，分析該鎮范圍內2個樣地10年均值年內變化圖(圖3)，結合實地調查知，該鎮高寒草原草地NDVI均值3月中旬至4月初期間由負變正，即4月初植被返青。這主要是春季氣溫逐漸提升，積雪融化，水熱條件改善，地上植物開始返青，NDVI值逐漸上升。在6月9—26日期間出現會第一次下降又上升階段，由此判斷此時間段為開始放牧的時間范圍，這與實地調查的夏季放牧開始時間相吻合。草地放牧后，牲畜啃食作用雖會導致地上生物量減少，如果是適度放牧也會促進后期植物的補償性增長，地上生物量也會增加，此后一階段的NDVI指數出現一定的波動。隨著時間推移，8月底—9月初，氣溫下降，植被逐漸進入枯黃期，NDVI逐漸降低，夏季放牧時間基本結束。在9月中旬—12月中下旬，高寒草原分布區開始出現降雪融雪交替，使得NDVI整體波動下降，12月以后積雪完全覆蓋，NDVI降為負值。

利用同樣的方法分析和靜縣其他鄉鎮、國營牧場夏季放牧時間，結果見表1。由表1可知放牧時間6月9日—9月30日，這與實際調查的放牧時間大致相近，具體時間隨當年返青時間的早晚而變化。

圖3 巴音布魯克鎮10 年NDVI指數均值隨時間的變化Fig.3 Change of the average NDVI of Bayanbulak Town over 10 years

表1 和靜縣各鄉鎮遙感圖像預測的返青時間、放牧時間與實際調查放牧時間Table 1 The prediction of turning green time, grazing time by remote sensing images andactual investigation of grazing time of each township in Hejing County

為驗證遙感確定放牧時間的可靠性。以2013年為例，利用6月26日與6月10日影像中后旬NDVI減前旬NDVI處理，得到和靜縣高寒草原草地6月10—26日地上生物量變化圖(圖4)，在此期間紅色為地上生物量下降區域可以判斷為此期間放牧區域，綠色為地上生物量上升區域，可以判斷為此期間未放牧區域。

圖4 和靜縣高寒草原草地2013年6月10—26日地上生物量變化Fig.4 Aboveground biomass variation diagram of alpine grassland in Hejing County on June 10 to 26, 2013

2.3 利用NDVI劃分高寒草原放牧強度方法

放牧開始與結束的時間是利用NDVI確定放牧強度的關鍵。通過對19個樣地的生長季NDVI的變化趨勢相似的樣地進行歸類，制作了不同放牧強度下NDVI變化圖(圖5)，發現不同放牧強度存在差異特征。其中，圖5(a)的NDVI曲線呈現出前期快速上升，后期緩慢降低的趨勢，且NDVI的變化幅度最大，歸為未放牧區；圖5(b)的NDVI開始上升的斜率較小且到達最高點的時間較圖5(a)的晚，于177～209 d由于受到放牧干擾，出現小幅下降后又再次上升，然后至枯黃期前NDVI開始逐漸平穩下降，至枯黃期后快速降低的趨勢，歸為輕度放牧；圖5(c)的NDVI曲線整體上升和下降的幅度較小，于160～225 d出現多次下降后上升，而后逐漸下降趨勢，歸為中度放牧；圖5(d)的則表現出在整個生長季期間NDVI值較低，且NDVI曲線比較平穩，歸為重度放牧。

(a)未放牧；(b)輕度放牧；(c)中度放牧；(d)重度放牧(a) Ungrazed； (b) Light grazing； (c) Moderate grazing； (d) Heavy grazing圖5 不同樣地生長季植被指數變化Fig.5 Changes of vegetation index in growing season of different plots

確定19個樣地的放牧強度后，對于不同放牧強度下實測地上生物量及反演的7月28日(地面實測時間一致)地上生物量進行分析(表2)。

表2 不同放牧強度下實測及反演的地上生物量

通過分析19個樣地生長季植被指數(圖5)及地上生物量(表2)發現，不同放牧強度地上生物量和NDVI存在較為明顯的差異，為避免放牧時間及轉場時間不同所造成的誤差，本研究利用不同放牧強度在生長季期間累積NDVI(ΣNDVI)大小來界定不同放牧強度，結合植物蓋度、生物量等指標制定了高寒草地放牧強度分級標準(表3)。其中：未放牧區域NDVI到達最大后屬于草本自然衰落式下降，生長季ΣNDVI區間范圍在5以上；輕度放牧受到1個旬度的放牧干擾，生長季ΣNDVI區間4～5；中度放牧受到放牧干擾后，NDVI回升較少，放牧期間受到2個甚至3個旬度的放牧干擾，生長季ΣNDVI區間3～4；重度放牧整體NDVI較低，代表裸地面積較大，載畜量低，生長季ΣNDVI區間范圍在3以下。

表3 高寒草原草地放牧強度分級標準Table 3 Grading standard for grazing intensity of alpine grassland

2.4 精度驗證

通過對遙感獲取的NDVI數據分析，得出的19個樣地的不同放牧強度。其中未放牧2個，輕度放牧6個，中度放牧7個，重度放牧4個。利用實地調查的放牧強度19個樣地中，有17個樣地放牧強度符合調查的放牧強度，精度達到89.47%。其中7月28日調查的樣地屬于中度放牧，但是遙感獲取的ΣNDVI屬于重度放牧，可能是因為實地調查時間處于草地恢復階段，地上生物量有所回升，但是整體ΣNDVI較低，調查后有再次放牧的可能性。此情況出現同時也可以說明ΣNDVI劃分放牧強度的科學性。

2.5 高寒草原放牧強度空間分布

根據高寒草地放牧強度分級標準(表3)，利用研究區遙感影像反演的ΣNDVI值，制作了和靜縣高寒草原草地放牧強度等級分布圖(圖6)。未放牧區域，多位于圍欄區域和高海拔位置，主要分布在和靜縣西南部山區；輕度放牧區域，多處于海拔較高區域，未放牧和中度放牧的過渡地帶，主要分布在東北部和西南部山區；中、重度放牧區域，多位于山前路旁，海拔較低處。

圖6 和靜縣高寒草原草地放牧強度分布圖Fig.6 Distribution map of alpine grassland intensity grazing in Hejing County

3 討 論

3.1 植被指數與草地地上生物量之間的關系

研究表明植被指數與草地地上生物量存在顯著相關性[11-16]。放牧強度最直觀的表現是地上生物量的變化，為此本研究以巴音布魯克高寒草原草地為研究對象，利用MODIS的NDVI的植被指數為自變量，草地地上生物量y為因變量，建立了和靜地區高寒草原地上生物量的反演模型。楊靜雅[27]在和靜縣高寒草原草地研究中也發現，對于和靜縣高寒草原草地而言，二次項多項式遙感反演模型的反演效果較好。羅媛等[28]在基于紅光和近紅外反射光譜特征參數反演草地地上生物量的研究中發現，NDVI與草地地上生物量之間存在顯著的正相關關系。因此，可以通過NDVI對于研究區地上生物量的變化進行判斷。

3.2 植被指數變化與放牧時間的關系

依據植被指數與地上生物量反演模型，通過植被指數可以了解地上生物量的變化。研究表明，當NDVI為負值，代表為水體、積雪覆蓋等高反射物體[29]。因此，通過分析NDVI變化曲線發現，1—4月NDVI為負值，表明該時期巴音布魯克鎮高寒草原多被積雪覆蓋；4月初NDVI逐漸上升，表明積雪融化，草地逐漸返青；在生長季期間，6月9—26日(很可能是因為冷冬暖冬，返青時間不同而變化)內出現下降趨勢，表明地上生物量減少，生物量減少主要是受到了放牧的干擾所致。同時在實地調查中，夏季放牧開始時間后(6月10日左右)在此區間范圍內可互相印證。丁濤等[29]研究發現巴音布魯克高寒草原在9月初進入非生長季。草地進入非生長季后，草地逐漸枯黃，導致光合作用減弱，對紅光波段的反射增強，NDVI逐漸降低。因此，在生長季期間NDVI的波動可以間接反映是否存在放牧行為。

3.3 植被指數與放牧強度的相關性

植被指數變化可以間接反映放牧強度[21-24]。本研究基于海拔2 000～2 800 m的和靜地區的高寒草原草地，對該類草地類型進行放牧強度的研究，一定程度上避免了不同草地類型所造成植被指數的差異而導致的誤差。從和靜縣放牧強度分布圖(圖6)可以發現，其中未放牧區，多位于高海拔和圍欄區域，在生長季開始時NDVI呈現快速上升，緩慢下降趨勢。在Risser等[30]研究發現，草地未受到干擾，草本植物會出現惰性生長，植被會出現黃綠色，NDVI也會逐漸降低，屬于草本的自然衰落枯萎。輕度放牧區，多處于海拔較高區域，地上生物量較高，草地載畜量高，從NDVI曲線中發現至177 d(6月26日)左右受到放牧干擾開始下降，距放牧開始時間往后延時，可能是因為夏季牧場開始放牧后，牧民從山下將羊群驅趕至此，導致放牧時間往后延時，放牧結束后NDVI再次上升，至枯黃期NDVI開始逐漸下降。輕度放牧有利于草地發展，草地受到牲畜的唾液(水分)、排泄物(養分)等補給，草地會出現補償性增長，地上生物量在一定時間后會繼續增長甚至超過未放牧之前的生物量[25,31]。中度放牧區，多位于山前路旁，通過分析NDVI曲線發現在161 d(6月11日)左右開始下降，在177 d(6月26日)左右再次上升；在193 d(7月12日)左右再次下降，至生長季末期NDVI逐漸降低。可能是因為牧民在夏季放牧時間開始后，經過此區域去往高海拔地區轉場，高海拔地區放牧結束后，再次經過此區域。該區域一是受到多次放牧干擾，二是由于后一次放牧干擾，接近生長季末期，不利于草地再次生長。重度放牧區域，整體NDVI較低，可能是因為地上生物量少，裸地較多，導致載畜量低，放牧強度高。通過分析19個不同放牧強度的樣地，可以發現不同放牧強度的ΣNDVI及地上生物量有明顯差異。孫睿等[32]研究發現可以利用ΣNDVI估算大區域范圍內某個時間段內整體的地表變化。本研究通過探索ΣNDVI進行劃分放牧強度的可行性，發現生長季ΣNDVI與放牧強度呈負相關。

4 結 論

草地放牧強度的確定是合理放牧和草地可持續利用的關鍵。本研究利用實地調查典型樣地的地上生物量實測數據，結合MODIS遙感數據源提取的NDVI，建立了巴音布魯克高寒草原草地的地上生物量反演模型。利用2008—2017年NDVI變化曲線確定了放牧時間為6月9日—9月30日，進而建立了基于生長季期間ΣNDVI指標的放牧強度分級標準，即：未放牧、輕度放牧、中度放牧和重度放牧。本研究結果可為該區域高寒草原草地快速、有效確定草地放牧時間及放牧強度，科學合理利用草地資源，維持草畜平衡提供科學依據。